低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，包括主轴、与主轴连接的连杆及可变式叶片，连杆包含上连杆和下连杆，所述可变式叶片包含第一分叶面和第二分叶面，第一分叶面的顶端和底部分别固定安装于上连杆和下连杆上，第一分叶面和第二分叶面之间通过固定转轴连接，主轴和可变式叶片间还可增设升力型叶片。本发明通过可变式叶片在阻力叶型和升力叶型间的自动转换，低风速时，叶片伸展为阻力型叶片，获得较低的启动风速；高风速时，自动缩合成升力型叶片，获得较高的效率，科学有机地融合了阻力型垂直轴风机启动转矩大、启动风速低的优点和升力型垂直轴风机气动效率较高的特点，实现了低速启动、高效运行的设计目标。
【专利说明】低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种垂直轴风机风轮，更具体地说是一种可变风叶的低速启动的升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，属于风力发电【技术领域】。
【背景技术】
[0002]风能资源具有着分布广泛，储量丰富，清洁可再生等优点，在煤和石油等化石能源日趋短缺、环境日益恶化的国际背景下，风能资源的开发利用日益受到世界各国的广泛关注和持续投入，风力发电技术和产业在世界范围内得到了较快的发展。
[0003]在并网大型风力发电【技术领域】，目前世界上应用最为普遍的是水平轴风机，其技术相对成熟，生产批量大，已成为当今风机的主流机型。但随着分布式供能及风机小型化需求的上升，水平轴风机启动风速高、工作噪音大、抗风能力差等先天性不足等缺点逐步暴露，而具有着结构相对简单、启动风速低，气动噪音小，受风性能更好的垂直轴风机，逐步步入人们的视野。
[0004]垂直轴风机主要分为阻力型垂直轴风机和升力型垂直轴风机两大类。阻力型垂直轴风机具有着启动转矩大、启动风速低的优点，但气动效率较低；升力型垂直轴风机虽然具有着气动效率较高得有点，但启动转矩小、启动风速高，在低风速区域及城市应用较为困难。若能将两种风机的优点结合起来，设计出兼具着启动风速低，气动效率高两种优点的垂直轴风机明显有更能适应分布式供能的需求。
[0005]为实现以上低速启动、高效运行的设计目的，目前通常将升力型垂直轴风机风轮和阻力型垂直轴风机风轮叠加组合。升力型叶片处于外圈，阻力型叶片处于内圈对应位置，如专利(CN103527403A)所述。这样的设计一方面利用了阻力型叶片启动风速低的优点，微风下利用阻力型叶片产生的较大的启动力矩带动风轮系统旋转，降低了风机的启动风速，实现了低速启动的设计目的；另一方面，在较高风速下，风机正常运行时，升力型叶片出力占主要地位。此时，处于内圈的阻力型叶片受气流直接作用小，主要在升力型叶片带动下转动。在带来额外功率损耗的同时，阻力型叶片的转动搅乱了整个流场原有的气流分布，引起升力型叶片压力面气压下降。而升力型叶片对流场变化较为敏感，流场和压力的变化带来气动效率的下降，造成整个风轮系统利用风能效率的下降。此外，专利(CN103527403A)中两片阻力型叶片的设计并不能完全保证消除启动时的死点。若风从正对阻力型叶片侧面方向吹来，正对来流的叶片面积小，需要很大的风速，风机才能启动或者完全不能启动。
[0006]若能通过合理的设计，使得低风速时叶片伸展为阻力型叶片，以获得较低的启动风速；高风速时，自动缩合成升力型叶片，低速时为阻力型风机、高速时为升力型风机。此外升力型风机中的双H型风轮布局，若通过合理的气动设计，系统能够获得比普通H型升力型风轮更为优良的气动效率。同时增加叶片个数，消除启动时死点的存在。以实现低速启动、高效运行、无启动死点的设计目的，本方案即为解决此类问题而设计。
【发明内容】
[0007]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，低风速时叶片伸展为阻力型叶片，获得较低的启动风速；高风速时，自动闭合成升力型叶片，以获得较高的效率，用以实现低速启动、高效运行的设计目的。
[0008]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，包括主轴、若干与主轴连接的连杆及若干可变式叶片，连杆包含上连杆和下连杆，上连杆和下连杆一端连接着主轴、另一端分别连接着可变式叶片的顶端和底部，其特征在于:所述可变式叶片包含第一分叶面和第二分叶面，第一分叶面固定安装于连杆上，即顶端连接着上连杆、底部连接着下连杆，第一分叶面和第二分叶面之间通过固定转轴连接，第二分叶面可绕固定转轴转动，所述第一分叶面和第二分叶面之间设有张开闭合部件。
[0009]作为优选，所述可变式叶片为三至六片，沿主轴周向均布。
[0010]作为优选，主轴和可变式叶片之间可增设一圈升力型叶片，增设升力型叶片为三至六片，沿主轴周向均布；若升力型叶片数目与可变式叶片相同或为其一半时，升力型叶片与可变式叶片共用连杆与主轴连接；当升力型叶片数目与可变式叶片数目不同且不为倍数时，则另设副连杆与主轴连接，其中当升力型叶片数目为可变式叶片数目两倍时，即升力型叶片数目为6、可变式叶片数目为3时，与可变式叶片对应的三片升力型叶片安装在连杆上以减轻重量，另三片设置副连杆安装。
[0011]所述实现可变式叶片功能的结构有两种参考形式，其一是:所述张开闭合部件包含扭转弹簧，扭转弹簧固装在固定转轴附近的第一分叶面或第二分叶面的内表面上或套装在固定转轴上，扭转弹簧的两脚分别与第一分叶面和第二分叶面的近叶片尾缘处内表面连接，第二分叶面远离固定转轴的一端设有重块，重块与扭转弹簧共同控制第二分叶面的张开闭合。所述扭转弹簧的两端分别连接第一分叶面和第二分叶面内表面接近尾缘端，扭转弹簧的两端上套有相连成“m”型金属套环，用以控制第二分叶面张开的角度。
[0012]其二是，所述可变式叶片依然由第一分叶面和较短的第二分叶面组成，两者通过固定转轴连接，不同点在于第二分叶面与转轴连接一端伸出于转轴一定长度。所述张开闭合部件包含磁铁，磁铁位于第二分叶面近尾缘一端内表面上，另一端内表面装有第三磁条；第一分叶面近尾缘一端装有第一磁条，近第三磁条处内表面装有第二磁条。第一磁条、第二磁条、第三磁条重量均轻于磁铁。磁铁和第一磁条相对表面，以及第二磁条和第三磁条相对表面均为同极磁性面。
[0013]有益效果:本发明的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，具有以下优占-
^ \\\.
[0014]1.科学有机地融合了阻力型垂直轴风机启动转矩大、启动风速低的优点和升力型垂直轴风机气动效率较高的特点，通过可变式叶片叶型随风轮系统转速的变化，在阻力型叶片和升力型叶片间的自动转变，充分利用阻力型和升力型两种叶片的优点，低风速小转速下，可变式叶片展开成阻力型叶片，充分利用阻力型叶片启动风速低、启动转矩大的优点，具有着比普通升力型风机更低的启动风速；
[0015]2.风速较高、风轮转速较大时，第二分叶面在离心力的作用下自动闭合成升力型叶片，风轮系统转变为升力型布局，以获得较高的运行效率。消除了传统升力型叶片、阻力型叶片结合布局的风轮系统中阻力型叶片对于升力型叶片的干扰，从而导致的效率低于单纯升力型叶片布局。此外，若增设一圈升力型叶片，此时形成双升力型叶片布局的风轮系统具有着比单升力型叶片布局更高的风能利用效率。
[0016]3.在有效提高风机效率、降低启动风速的基础上，采用本发明的新型风轮系统的垂直轴风机，相比于现有的复合式垂直轴风机在风能利用效率上将有较大程度的提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1低风速小转速时风轮系统俯视图；
[0018]图2闻风速闻转速时风轮系统俯视图；
[0019]图3高风速下升力状态下的可变式叶片截面示意图；
[0020]图4低风速下阻力状态下的可变式叶片截面示意图；
[0021]图5扭转弹簧示意图
[0022]图6可变式叶片闭合时风轮系统结构示意图；
[0023]图7双升力型布局下风轮系统俯视图；
[0024]图8可变式叶片带磁性布局方案；
[0025]图9双升力型布局下风轮系统结构示意图；
[0026]图中有:主轴I ;升力型叶片2 ;可变式叶片3 ;第一分叶面3-1 ;第二分叶面3_2 ；连杆4 ;上连杆4-1 ;下连杆4-2 ;副连杆5 ;上副连杆5-1 ;下副连杆5_2 ;固定转轴7 ;重块8 ;扭转弹簧9 ;磁铁10 ;第一磁条11 ;第二磁条12 ;第三磁条13。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0028]实施例1
[0029]如图1至6所示，为本发明的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统。风轮系统由主轴1、可变式叶片3、连杆4组成，如图1所示。
[0030]在本发明中，所有叶片均选用轻质耐腐蚀材料(包括不饱和树脂、饱和树脂、碳纤维、轻质铝合金等)制造的空心叶片，具有着耐腐蚀性能好、质量轻、强度高、绝热性能良好、易加工等优点，采用极薄的厚度即可满足设计强度要求，以减轻风轮质量。可变式叶片3采用空心H型叶片叶型，靠近主轴I 一面的压力面外表面距尾缘约三分之一至三分之二处和尾缘处，沿垂直方向，剖分成第一分叶面3-1和较短的第二分叶面3-2，第一分叶面3-1压力面一侧分界面上设置固定转轴7用以连接第一分叶面和第二分叶面。第一分叶面3-1和第二分叶面3-2之间设有扭转弹簧9，扭转弹簧9固装在固定转轴7附近的第一分叶面3-1或第二分叶面3-2的内表面上或套装在固定转轴7上，图中3、4中仅给出了固装在第一分叶面3-1的内表面上一种形式。第二分叶面3-2远离固定转轴7的一端设有重块8，重块8与扭转弹簧9共同作用，用以控制第二分叶面3-2的张开闭合。扭转弹簧9的两脚分别连接第一分叶面3-1和第二分叶面3-2近尾缘端内表面上，扭转弹簧9的两脚上套有相连成“⑴”型金属套环，用以控制第二分叶面3-2张开的角度，如图5所示。可变式叶片3叶型随着风速和风轮系统转速而变，在转速较低时，第二分叶面3-2以固定转轴7为中心张开，呈阻力型叶片状态，如图4所示。转速较高时，在离心力的作用下第二分叶面3-2闭合，此时可变式叶片3变为升力型叶片状态，如图3所示。
[0031]当风机静止或风速较小、风轮转速较小时，以其中一片可变式叶片3为例，图4中所示的重块8产生的离心力较小，不足以抵消扭转弹簧9所产生的弹性力，第二分叶面3-2以固定转轴7为中心向外张开。可变式叶片3此时为阻力叶片，呈现阻力状态。同时，套装在扭转弹簧9两脚上的呈现型的两个相连的金属套环，通过限制扭转弹簧9两脚张开的角度以限制第二分叶面3-2张角，抵消阻力状态下第二分叶面3-2受来流阻力作用，使得张角增大的趋势。充分利用了低风速时，阻力型叶片转动力矩大，启动风速低的优点。
[0032]当风速逐渐增大，风机的转速逐渐上升时，重块8产生的离心力逐渐增大，当其大小超过扭转弹簧9所产生的弹性力，第二分叶面3-2逐渐以固定转轴7为中心向内闭合，最终完全闭合变为升力型叶片，呈现升力状态，以便利用升力型叶片较高的效率。
[0033]可变式叶片的另一种形式如图8所示，可变式叶片3依然由第一分叶面3-1和较短的第二分叶面3-2组成，两者通过固定转轴7连接，不同点在于第二分叶面3-2与转轴7连接一端伸出于转轴7较短的一段长度。第二分页面3-2近尾缘一端内表面装有磁铁10，另一端内表面装有第三磁条13 ;第一分叶面3-1近尾缘一端装有第一磁条11，近第三磁条13处内表面装有第二磁条12。第一磁条11、第二磁条12、第三磁条13重量均轻于磁铁10。磁铁10和第一磁条11相对表面,第二磁条12和第三磁条13相对表面均为同极磁性面。当风机静止或风速较小、风轮转速较小时，以其中一片可变式升力型叶片3为例，磁铁10兼具有提供离心力的作用，根据需要可携带相应的配重。磁铁10提供的离心力较小，不足以抵消磁铁10与第一磁条11间的磁性斥力，在磁性斥力的作用下第二分叶面3-2以固定转轴7为中心张开一定角度。当风吹来时，受来流的阻力作用，第二分叶面3-2继续向外张开，另一端的第三磁条13与第二磁条12越来越接近，磁性斥力越来越大，直至两面相接处，用以限定第二分叶面3-2张开的角度。此时风轮尚未转动或以低速转动磁铁10提供的离心力较小。当风速逐渐增大,风机的转速逐渐上升时,磁铁10产生的离心力逐渐增大，当其大小足以抵消磁性斥力时，第二分叶面3-2逐渐以固定转轴7为中心向内闭合，最终完全闭合变为升力型叶片。需要注意的是，磁铁10和第一磁条11距尾缘要有适当的距离，以便利用叶片中空结构的间隙，给两者留出一定的间距，防止太过接近，磁性斥力太大，导致叶片无法再适当的风速范围内闭合。
[0034]实施例2
[0035]如图7、8、9所示，本发明的另一种布局系统方式，包括主轴1、若干升力型叶片2和可变式叶片3及连杆4，必要时增设副连杆5，副连杆包含上副连杆5-1和下副连杆5-2。所述升力型叶片2和可变式叶片3均沿主轴I周向均布，升力型叶片2设置于主轴I和可变式叶片3之间。升力型叶片或可变式叶片均为三至六片，若升力型叶片2数目与可变式叶片3相同或为其一半时，升力型叶片2与可变式叶片3共用连杆4与主轴I连接；当升力型叶片2数目与可变式叶片3数目不同且不为其倍数时，则另设副连杆与主轴I连接，其中当升力型叶片2数目为可变式叶片3数目两倍时，即升力型叶片数目为6、可变式叶片数目为3时，与可变式叶片对应的三片升力型叶片安装在连杆上以减轻重量，另三片设置副连杆安装。
[0036]关于风轮系统工作原理及叶片的材料等与实施例1中完全相同，仅有的不同点在于:可变式叶片与主轴之间增设了升力型叶片，升力型叶片2采用竖直等径的空心H型叶片，截面不变也不扭曲，形状简单、制造成本低；当风速逐渐增大，风机的转速逐渐上升时，可变式叶片完全闭合变为升力型叶片时，系统呈现升力状态。处于升力状态的可变式叶片3与升力型叶片2相配合，使得风轮系统以双H型布局工作，通过合理设计升力型叶片2与可变式叶片3间的大小比例、距离、角度等，可获得比普通的单H型布局的风轮系统更高的效率。
[0037]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，包括主轴(1)、若干与主轴连接的连杆(4)及对应的可变式叶片(3)，连杆(4)包含上连杆(4-1)和下连杆(4-2)，上连杆(4-1)和下连杆(4-2) —端连接着主轴(1)、另一端分别连接可变式叶片(3)顶端和底部，其特征在于:所述可变式叶片(3)包含第一分叶面(3-1)和第二分叶面(3-2)，第一分叶面(3-1)固定安装于连杆(4)上，即顶端连接着上连杆(4-1)、底部连接着下连杆(4-2)，第一分叶面(3-1)和第二分叶面(3-2)之间通过固定转轴(7)连接，第二分叶面(3-2)可绕固定转轴(7)转动，所述第一分叶面(3-1)和第二分叶面(3-2)之间设有张开闭合部件。
2.根据权利要求1所述的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，其特征在于:所述可变式叶片(3)数目为三至六片，沿主轴(1)周向均布。
3.根据权利要求2所述的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，其特征在于:所述张开闭合部件包含扭转弹簧(9)，扭转弹簧(9)固装在固定转轴(7)附近的第一分叶面(3-1)或第二分叶面(3-2)的内表面上或套装在固定转轴(7)上，两脚分别与第一分叶面(3-1)和第二分叶面(3-2)的近叶片尾缘一端内表面连接，第二分叶面(3-2)远离固定转轴(7)的一端设有重块(8)，重块(8)与扭转弹簧(9)共同作用，用以控制第二分叶面(3-2)的张开闭合。
4.根据权利要求3所述的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，其特征在于:所述扭转弹簧(9)的两脚分别连接第一分叶面(3-1)和第二分叶面(3-2)内表面近尾缘端，扭转弹簧(9)的两脚上套有相连成型金属套环，用以控制第二分叶面(3-2)张开的角度。
5.根据权利要求1所述的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，其特征在于:所述张开闭合部件包含磁铁(10)，磁铁(10)位于第二分叶面(3-2)近尾缘一端内表面上，第二分叶面(3-2)另一端内表面安装有第三磁条(13);第一分页面(3-1)近尾缘一端安装有第一磁条(11)，第一分叶面(3-1)近第三磁条(13)处内表面安装有第二磁条(12)，第一磁条(11)、第二磁条(12)、第三磁条(13)重量均轻于磁铁(10)，磁铁(10)和第一磁条(11)相对表面与第二磁条(12)和第三磁条(13)相对表面均为同极磁性面。
6.根据权利要求1所述的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，其特征在于:所述主轴(1)和可变式叶片(3)之间增设一圈升力型叶片(2)。
7.根据权利要求6所述的低速启动升阻互变式叶片垂直轴风机风轮系统，其特征在于:所述升力型叶片(2)为三至六片，沿主轴(1)周向均布；若升力型叶片(2)数目与可变式叶片⑶相同或为其一半时，升力型叶片⑵与可变式叶片⑶共用连杆⑷与主轴(1)连接；当升力型叶片⑵数目与可变式叶片⑶数目不同且不为倍数时，则另设副连杆(5)与主轴⑴连接，其中当升力型叶片⑵数目为可变式叶片⑶数目两倍时，即升力型叶片(2)数目为6、可变式叶片(3)数目为3时，与可变式叶片(3)对应的三片升力型叶片(2)安装在连杆(4)上以减轻重量，另三片设置副连杆(5)安装。
【文档编号】F03D3/06GK104314752SQ201410528661
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月9日 优先权日:2014年10月9日
【发明者】熊源泉, 苏银海, 张平, 张亚玺, 张理, 王志军, 宋杰, 吴波, 王淑慧 申请人:东南大学, 南京源紫尚蓝能源科技有限公司